廖宜濤 李運通 萬星宇 廖慶喜 單伊尹 蒙哲靖

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

油菜是我國主要的油料作物，以油用為主、多功能利用能夠大幅提高油菜的種植效益[1]。油菜菜用是油菜多功能利用的新途徑，指在冬春季節(jié)將鮮嫩主莖油菜薹摘取作蔬菜食用；采薹后的油菜植株側(cè)薹萌發(fā)二茬，可繼續(xù)采薹或持續(xù)生長開花結(jié)角，收獲油菜籽，實現(xiàn)油蔬兩用[2]。油菜適時摘薹每公頃可產(chǎn)薹3 000 kg以上，二茬油菜籽產(chǎn)量仍能達(dá)到2 250 kg/hm2[3]。因此油菜菜用每公頃可以新增產(chǎn)值超過15 000元，而且可以豐富蔬菜供給、填補春節(jié)時期市場青蔬空缺，極具發(fā)展?jié)摿3-4]。但現(xiàn)階段油菜薹收獲作業(yè)主要靠人工完成，勞動強度大、效率低、生產(chǎn)成本高，制約了油菜菜用發(fā)展，生產(chǎn)上迫切需要適用的油菜薹收獲機[2]。

油菜薹屬于非結(jié)球莖葉類蔬菜，根據(jù)收獲裝置作業(yè)方式的不同，這類蔬菜收獲機有非對行收獲和對行收獲兩種形式[5-6]。其中非對行收獲機結(jié)構(gòu)簡單，如意大利Ortomec公司8400 ELECTRA型自走式蔬菜收獲機、國內(nèi)富來威公司4UM型蔬菜收獲機[7]，此類機具多采用輕型撥禾輪輔助喂入、往復(fù)式割刀進(jìn)行切割作業(yè)，切斷莖、葉由輸送帶輸送至采集框，切割高度一般為200 mm以下，作業(yè)幅寬一般為1.2～1.5 m，主要用于設(shè)施大棚種植的雞毛菜、小青菜、菠菜等葉菜的收獲。對行收獲機主要用于主莖特征明顯的蔬菜收獲。如丹麥Asa-Life公司PO-335型大蔥收獲機[8]、日本洋馬公司HL10型大蔥收獲機、侯加林等[9]設(shè)計的大蔥聯(lián)合收獲機等，通過對行分禾、圓盤割刀切割、柔性夾持輸送，以單行或雙行采收方式進(jìn)行對行收獲[10]；意大利Hortech農(nóng)機公司SLIDE SW型葉類蔬菜收獲機、施印炎等[11]研發(fā)的蘆蒿收獲機、廖凱等[12]研發(fā)的蘆葦筍收獲機，均利用多行分禾、往復(fù)式割刀切割、夾持輸送，進(jìn)行多行有序收獲。

油菜薹以大田種植為主，廂寬約2.0 m，為保證二茬生長，摘薹時應(yīng)盡量避免損傷底葉、碾壓根茬，因此上述機具不適用于油菜薹收獲。

本文根據(jù)油菜薹收獲要求，設(shè)計一種龍門式電驅(qū)動油菜薹收獲機，采用龍門式履帶底盤實現(xiàn)跨廂面行走，采用立式回轉(zhuǎn)夾拋切割裝置局部對行分禾、回轉(zhuǎn)切割油菜薹，實現(xiàn)底葉留存、快速收獲油菜薹，通過收獲過程力學(xué)與運動學(xué)分析和臺架試驗確定割臺最優(yōu)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化收獲作業(yè)參數(shù)，并以切割效果、輸送效果為評價指標(biāo)開展田間試驗。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 油菜薹收獲要求

油菜為根系忌水作物，長江中下游地區(qū)冬油菜種植時需平整廂面并開好畦溝，避免廂面低洼處雨水聚集影響植株生長[13-14]。油菜薹收獲狀態(tài)示意圖如圖1所示，油菜薹采收時，理想的收獲方式是摘取薹區(qū)部分鮮嫩莖葉，留下至少2片底葉和根莖，利用側(cè)芽萌發(fā)二茬[2]。依據(jù)油菜薹收獲狀態(tài)，進(jìn)行收獲機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計。根據(jù)油菜薹種植壟距、畦溝寬度，確定收獲機凈跨距為1 600 mm、履帶寬度小于200 mm；根據(jù)油菜薹種植行距，確定收獲機夾拋切割裝置行距為240～300 mm；收獲留茬高度為160～360 mm。

圖1 油菜薹收獲狀態(tài)Fig.1 Harvesting status of rapeseed stalks

1.2 整機結(jié)構(gòu)

圖2 油菜薹收獲機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of harvester1.分禾器 2.割臺 3.龍門機架 4.滑軌 5.割臺升降推桿 6.控制箱 7.收集箱 8.輸送帶 9.電池 10.驅(qū)動電機 11.履帶總成 12.割臺電機 13.鏈傳動 14.夾拋輥 15.圓盤割刀 16.割刀固定板

油菜薹收獲機整機主要由龍門式履帶底盤、割臺和輸送收集裝置組成，如圖2所示，技術(shù)參數(shù)如表1所示。龍門式履帶底盤由履帶總成、行走電機、電池和龍門機架組成，龍門機架跨度1 600 mm，實現(xiàn)機具工作時跨廂面在畦溝中行走，避免收獲過程碾壓油菜薹，履帶選用寬150 mm金屬橡膠履帶；底盤取消駕駛和操控位置，采用遙控控制，以縮小收獲機體積和轉(zhuǎn)彎半徑，控制模塊為安裝HC05藍(lán)牙模塊的STC89C52單片機，遙控操作模塊為云卓T10藍(lán)牙遙控器，有效遙控距離100 m。割臺利用滑軌和割臺升降推桿等部件吊裝于龍門機架下。割臺主要由6組立式回轉(zhuǎn)夾拋切割裝置、3臺割臺電機、鏈傳動及割臺框架組成。每臺割臺電機通過鏈傳動驅(qū)動2組夾拋切割裝置，各夾拋切割裝置獨立運作、可通過滑軌調(diào)節(jié)裝置間距，以適應(yīng)不同行距、幅寬油菜薹收獲。

表1 收獲機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of harvester

1.3 工作原理

油菜薹收獲機工作原理及收獲過程為：工作部件隨履帶底盤在畦溝中以一定速度行進(jìn)，油菜薹被分禾器壓葉、收攏至各立式回轉(zhuǎn)夾拋切割裝置中部，在圓盤割刀和割刀固定板作用下有支撐切割，再由夾拋輥夾持、拋送至輸送帶上方，然后被輸送至收集箱中，完成收獲；油菜薹根茬將再生枝葉，實現(xiàn)多次采薹或收獲菜籽。在收獲不同種植農(nóng)藝、生長階段或品種的油菜薹時，可調(diào)節(jié)切割夾拋裝置間距、割臺高度等關(guān)鍵部件參數(shù)，收獲不同行距、幅寬、高度油菜薹。

2 立式回轉(zhuǎn)夾拋切割裝置設(shè)計與分析

2.1 立式回轉(zhuǎn)夾拋切割裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

收獲機割臺的作業(yè)目標(biāo)為：快速收獲油菜薹上部莖稈和嫩葉，將收獲物引導(dǎo)至輸送裝置。使用油菜精量聯(lián)合直播機播種時，適收期油菜植株距、行距均勻，主薹生長方向豎直，因此設(shè)計一種立式切割、臥式輸送的立式回轉(zhuǎn)夾拋切割裝置，以緊湊的結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)油菜薹對行收獲。夾拋切割裝置主要由夾拋輥、夾拋軟齒、圓盤割刀、割刀固定板、齒輪等組成，如圖3a所示。

圖3 立式回轉(zhuǎn)夾拋切割裝置Fig.3 Structure diagrams of vertical rotary header1.圓盤割刀 2.夾拋軟齒 3.夾拋輥 4.割臺安裝板 5.傳動鏈輪 6.軸承座 7.割刀固定板 8.圓錐滾子軸承 9.割刀傳動齒輪 10.夾拋輥傳動齒輪 11.自攻螺套 12.割刀軸 13.主動齒輪Ⅱ 14.傳動齒輪 15.夾拋輥齒輪Ⅰ 16.夾拋輥齒輪Ⅱ 17.割刀齒輪Ⅰ 18.割刀齒輪Ⅱ 19.主動齒輪Ⅰ 20、27.鏈輪 21.聯(lián)軸器 22.割臺電機 23、24.圓盤割刀 25、26.夾拋輥

收獲機關(guān)鍵部件主要包括分禾器、切割裝置、撥禾裝置等，其作業(yè)方式直接影響收獲機的工作效果。收獲機常用的切割裝置有往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩種，回轉(zhuǎn)式圓盤切割裝置結(jié)構(gòu)簡單，作業(yè)沖擊、振動小、速度高、切面平整，對行作業(yè)時可僅切割莖稈和切割區(qū)葉片從而保留底葉，適用于油菜薹收獲場景。按照刀具形狀圓盤刀可分為光刃型圓盤刀、鋸齒型圓盤刀、砍削型圓盤刀等[15-17]，為利用圓盤刀對作物的砍切力輔助夾拋輥完成收獲物的拋送作業(yè)，選用砍削型圓盤刀。為保證機具受力均勻，減少沖擊[18]，刀具配置形式選擇雙圓盤刀，每臺夾拋切割裝置的2圓盤刀相向等速轉(zhuǎn)動。

撥禾裝置是收獲機的關(guān)鍵部件之一，直接影響機具的輸送和收獲效果。為緊湊割臺結(jié)構(gòu)，本研究設(shè)計一種立式夾拋輥進(jìn)行油菜薹引導(dǎo)、扶正、夾持、拋送，配合圓盤刀完成收獲作業(yè)。夾拋輥安裝于圓盤刀上方且與割刀同軸，夾拋切割裝置的2夾拋輥相向等速轉(zhuǎn)動，各夾拋輥與其正下方圓盤刀轉(zhuǎn)向相同；由于割刀工作速度要求較高，夾拋輥和割刀設(shè)計為差速轉(zhuǎn)動。

割刀和夾拋輥位于同一回轉(zhuǎn)軸線，其中割刀直接安裝在割刀軸上，夾拋輥做成軸套形式，通過對置圓錐滾子軸承與軸套裝在中心軸上；軸和軸套獨立回轉(zhuǎn)，通過齒輪傳動的傳動比差異實現(xiàn)兩者的差速運轉(zhuǎn)。

為實現(xiàn)每組夾拋輥與圓盤割刀差速轉(zhuǎn)動的運動要求，夾拋切割裝置結(jié)構(gòu)如圖3a所示。圓盤割刀直接安裝在割刀軸外側(cè)；夾拋輥利用圓錐滾子軸承與割刀軸分隔，減少因差速轉(zhuǎn)動造成的夾拋輥與割刀、割刀軸間的相互干擾。夾拋切割裝置的傳動路線如圖3b所示，圓盤割刀通過安裝于割刀軸外側(cè)的割刀齒輪由主動齒輪直接驅(qū)動，夾拋輥通過直接安裝在其上方的夾拋輥齒輪、經(jīng)傳動齒輪由主動齒輪間接驅(qū)動?？筛淖冎鲃育X輪和傳動齒輪齒數(shù)調(diào)整割刀與夾拋輥間速比，割刀與夾拋輥的速比i12可用主動齒輪Ⅰ的齒數(shù)z1和主動齒輪Ⅱ的齒數(shù)z2表示為

確定夾拋切割裝置基本結(jié)構(gòu)形式后，需結(jié)合油菜薹植株物理特性及收獲要求，開展分禾器、割刀和夾拋輥的力學(xué)與運動學(xué)分析，對分禾器、割刀和夾拋輥的尺寸、間距、材料、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 分禾器設(shè)計

分禾器主要作用為壓低油菜薹底葉以避免割刀損傷，收攏采摘區(qū)油菜薹莖葉以提高喂入效果。分禾器結(jié)構(gòu)形式、尺寸參數(shù)將直接影響收獲機的作業(yè)效果。

圖4 分禾器作業(yè)原理圖Fig.4 Working principle of crop divider1.圓盤割刀 2.分禾器 3.壓葉區(qū) 4.攏禾區(qū) 5.切割區(qū)

分禾器安裝于每兩組切割夾拋裝置之間前側(cè)，前端小后端大呈錐形設(shè)計。根據(jù)作業(yè)效果，分禾器將作業(yè)區(qū)劃分為壓葉區(qū)、攏禾區(qū)和切割區(qū)，如圖4所示。圖中δ為分禾器錐角，(°)；vj為收獲機前進(jìn)速度，m/s；ffh為分禾器對油菜薹葉片的摩擦力，N；Nfh為分禾器對油菜薹葉片的正壓力，N；Ffh為分禾器對油菜薹葉片的最大摩擦力，N。壓葉區(qū)由每行油菜薹兩側(cè)分禾器錐角外側(cè)和分禾器底部兩部分組成，此區(qū)域油菜薹葉片被分禾器分隔、下壓至分禾器和割刀下方，實現(xiàn)底葉保留；攏禾區(qū)為分禾器錐角內(nèi)側(cè)至切割區(qū)，此區(qū)域油菜薹莖葉被收攏、集中至切割區(qū)，以保證油菜薹莖葉順利喂入割臺；切割區(qū)為割刀喂入?yún)^(qū)隨機具作業(yè)方向的延伸區(qū)域，以利用割刀等部件完成油菜薹莖葉切割。

分禾器錐角δ是決定分禾器作業(yè)效果的主要因素[19]，錐角δ過小會導(dǎo)致分禾器尺寸過大，錐角δ過大則會導(dǎo)致分禾器作業(yè)時植株被分禾器推倒。分禾器作業(yè)原理如圖4所示。以油菜薹葉片為研究對象，分析其分禾過程受力，忽略分禾器前進(jìn)速度對油菜薹葉片的影響，若沿機具前進(jìn)速度的反方向存在分禾器對油菜薹葉片的最大靜摩擦力Ffh，則有[19]

(1)

式中μfs——分禾器與油菜薹葉片的摩擦因數(shù)

取油菜薹葉片與鋼板材料的摩擦因數(shù)范圍和木材與金屬之間的摩擦因數(shù)范圍相同，μfs=0.2～0.6，則30°≤δ≤60°。為增強分禾器通過性，適應(yīng)收獲機收獲行距240～300 mm要求，取分禾器錐角調(diào)節(jié)范圍為30°～40°，長度調(diào)節(jié)范圍為190～200 mm。

2.3 圓盤割刀設(shè)計

2.3.1圓盤割刀結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于油菜薹的外觀表型特性，適收期油菜薹莖稈平均直徑約為15 mm，莖稈直徑由下至上呈逐步減小的特點；結(jié)合油菜薹的剪切強度、彎曲強度等物理特性[20]，進(jìn)行圓盤割刀設(shè)計。

在圓盤割刀尺寸設(shè)計時，增大刀具直徑可增加有效喂入?yún)^(qū)面積和刀具轉(zhuǎn)動慣量，從而提高收獲機作業(yè)穩(wěn)定性；但若刀具直徑過大，在割臺間距調(diào)節(jié)為較小時，刀具間易發(fā)生干涉?，F(xiàn)有油菜播種機種植行距多為240～300 mm[21-22]，為適應(yīng)油菜種植農(nóng)藝，割刀輪廓軌跡線最大寬度需小于240 mm，同時為增加割刀有效切割面積，提高割臺捕獲作物的能力，割刀直徑設(shè)計為120 mm。所設(shè)計的回轉(zhuǎn)式雙圓盤切割裝置作業(yè)原理如圖5所示，技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖5 回轉(zhuǎn)式雙圓盤切割裝置作業(yè)原理圖Fig.5 Working principle of double disc cutter1.圓盤割刀Ⅰ 2.刀具相切線 3.割刀輪廓軌跡線 4.油菜薹莖稈 5.圓盤割刀安裝孔 6.圓盤割刀Ⅱ

2.3.2油菜薹切割過程力學(xué)分析

收獲機割臺切割過程可以簡化成圓盤割刀與割刀固定板配合剪切油菜薹莖稈的模型，該過程的力學(xué)分析如圖6所示。圖中nds為圓盤割刀轉(zhuǎn)速，r/min；α為油菜薹莖稈剪切時的切割角，(°)；Nd為圓盤割刀刃部對油菜薹莖稈正壓力，N；fd為圓盤割刀刃部對油菜薹莖稈摩擦力，N；Nb為割刀固定板對油菜薹莖稈正壓力，N；fb為割刀固定板對油菜薹莖稈摩擦力，N。

表2 雙圓盤切割裝置主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of double disc cutter

圖6 油菜薹莖稈剪切過程的力學(xué)分析Fig.6 Mechanical analysis of stem shearing process1.油菜薹莖稈 2.割刀固定板 3.圓盤割刀

由圖6可知，油菜薹莖稈在被剪切過程中主要受到割刀刃部的壓力Nd和摩擦力fd、割刀固定板的正壓力Nb、摩擦力fb。為保證油菜薹莖稈在剪切過程中不發(fā)生偏移，割刀刃部對油菜薹莖稈的作用力沿機具前進(jìn)速度垂直方向的分力應(yīng)小于等于割刀固定板對油菜薹莖稈的最大摩擦力fbmax，等價于割刀刃口與兩割刀回轉(zhuǎn)軸連線之間的夾角γ應(yīng)小于等于油菜薹莖稈與割刀固定板之間的滑動摩擦角β，由于兩角度皆小于90°，為簡化計算過程，可利用兩角的正弦值計算，即

sinγ≤sinβ=μ

(2)

式中μ——油菜薹莖稈與割刀固定板之間的靜摩擦因數(shù)

根據(jù)圖6油菜薹切割過程割刀、割刀固定板和油菜薹莖稈間幾何關(guān)系，可知此過程中圓盤割刀刃口與兩割刀回轉(zhuǎn)軸連線之間的夾角γ計算式為

(3)

式中r——油菜薹莖稈半徑，mm

Ld——圓盤割刀刃口寬度，mm

經(jīng)過摩擦參數(shù)計算和試驗可知油菜薹莖稈在剪切過程中不會發(fā)生滑移。本切割器采用雙圓盤割刀的形式，油菜薹莖稈滑移出一側(cè)割刀的切割區(qū)時，另一側(cè)割刀和夾拋輥的結(jié)構(gòu)會將油菜薹莖稈位置限制在原切割區(qū)內(nèi)，可有效避免漏割。

2.3.3圓盤割刀運動軌跡分析

圓盤割刀的運動為繞其傳動軸的圓周運動與收獲機直線運動的復(fù)合運動，其在水平方向上的軌跡為余擺線。設(shè)收獲機前進(jìn)方向為x軸正方向，水平面上垂直于收獲機前進(jìn)方向左側(cè)為y軸正方向，建立坐標(biāo)系，圓盤割刀轉(zhuǎn)動角速度為ωd，則割刀刃口運動軌跡方程為

(4)

式中rd——圓盤割刀半徑，m

t——圓盤割刀運動時間，s

割刀的運動軌跡余擺線，其形狀決定于圓盤割刀的圓周速度vd和收獲機前進(jìn)速度vj的比值即(割刀速度比)λ。割刀切割過程主要在擺線的最低點附近，即相對油菜薹速度最小處。為保證油菜薹莖稈被切斷，圓盤割刀的絕對運動在最慢點處則需具有向后的水平分速度，即圓盤割刀刃口根部的圓周速度大于收獲機最大前進(jìn)速度，割刀速度比λ>1，即

vdmin=ωdrdmin=πrdminnds/30>vjmax

(5)

式中vdmin——圓盤割刀刃口的圓周速度，m/s

rdmin——圓盤割刀刃口作業(yè)半徑，取0.05 m

nds——圓盤割刀轉(zhuǎn)速，r/min

vjmax——收獲機最大作業(yè)速度，取0.8 m/s

計算可知，為避免割刀漏割，則圓盤割刀轉(zhuǎn)速nds的最小值為122.3 r/min。

2.4 夾拋輥設(shè)計

2.4.1夾拋輥工作過程

油菜薹莖稈被割刀切斷后，收獲物被夾拋輥外側(cè)的柔性海綿齒夾持拋送至輸送裝置，在夾拋輥的作用下收獲物底部首先接觸輸送帶，避免油菜薹收獲物鮮嫩莖葉在切割、輸送過程中的損傷，工作過程如圖7所示。

圖7 機具工作過程分析Fig.7 Working process analysis of harvester1.廂面 2.油菜薹植株 3.分禾器 4.夾拋輥 5.圓盤割刀 6.油菜薹收獲物 7.輸送裝置 8.油菜薹留茬

2.4.2夾拋輥結(jié)構(gòu)設(shè)計

夾拋輥主要由尼龍輥、夾拋軟齒、傳動齒輪等組成，如圖8所示。由于夾拋輥配合圓盤割刀使用，其結(jié)構(gòu)受到圓盤刀形狀尺寸等參數(shù)的影響，考慮到割刀軸外側(cè)裝配結(jié)構(gòu)和夾拋輥連接方式，夾拋輥所用尼龍輥外徑取60 mm。

圖8 夾拋輥結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of grabbing and throwing rollers1.尼龍輥主體 2.夾拋軟齒 3.傳動齒輪 4.上限位軸承 5.螺栓、自攻螺套 6.下限位軸承

夾拋輥外側(cè)夾拋軟齒的分布情況是影響夾拋輥對油菜薹夾持力和夾拋過程中油菜薹損傷的主要因素，若軟齒分布過密，則軟齒對油菜薹的摩擦較小且對油菜薹莖稈直徑變化較大的品種適應(yīng)性較差，當(dāng)油菜薹尺寸較大時可能葉片被夾拋輥壓傷甚至因物料難以喂入割臺從而造成割臺堵塞；若軟齒分布過于稀疏，則對輥夾持力較小，難以將油菜薹以底端接觸姿勢拋送至后方輸送裝置上方從而增加莖葉損傷。根據(jù)油菜薹莖稈物理特性并進(jìn)行試驗[20]，選用4組夾拋軟齒均布于夾拋輥外側(cè)夾拋輥的結(jié)構(gòu)形式。

考慮到夾拋軟齒的安裝方式、結(jié)構(gòu)強度和對油菜薹莖稈的作用力，結(jié)合尼龍輥主體外徑尺寸為60 mm、兩輥間距為100 mm等結(jié)構(gòu)參數(shù)，考慮到適收期油菜薹莖稈平均直徑約為15 mm等物理特性[20]，為保證夾拋輥有效夾持油菜薹，夾拋軟齒間徑向距離應(yīng)小于油菜薹莖稈直徑，同時為避免夾拋輥堵塞，夾拋軟齒與另一尼龍輥間隙應(yīng)大于油菜薹莖稈直徑，因而夾拋軟齒厚度為12.5～25 mm；為保證油菜薹拋送順暢、減少夾拋軟齒作用于葉片上的夾持力以減免葉片壓損，夾拋軟齒間需留有間隙，因而夾拋軟齒厚度為15～32 mm，為便于夾拋軟齒加工制造，選用厚度、寬度均為20 mm的海綿條作為夾拋軟齒。

為合理進(jìn)行夾拋輥外側(cè)夾拋軟齒尺寸設(shè)計及材料選擇，開展夾拋輥工作過程力學(xué)分析，如圖9所示。圖中O0為油菜薹收獲部分重心；O1為夾拋輥夾持油菜薹點；G1為油菜薹收獲部分重力，N；Nd1為割刀對油菜薹收獲部分支持力，N；Fd為割刀剪切力，N；L0為油菜薹收獲部分重心與割刀豎直距離，m；L1為夾拋輥夾持油菜薹點與割刀豎直距離，m。立式回轉(zhuǎn)夾拋切割裝置作業(yè)時，先由圓盤割刀砍切油菜薹莖稈，此時油菜薹收獲部分在割刀剪切力Fd作用下繞其重心G逆時針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)割刀砍切油菜薹莖稈至割刀與割刀固定板配合處時，割刀與割刀固定板形成剪切作用，將莖稈完全切斷。后由立式夾拋輥外側(cè)設(shè)置的海綿夾拋軟齒夾持油菜薹莖稈點O1，在避免油菜薹損傷的情況下將油菜薹夾拋至后方輸送裝置。

圖9 夾拋輥工作過程力學(xué)分析Fig.9 Mechanical analysis of working process of grabbing and throwing rollers

夾拋輥夾持油菜薹時，需保證夾拋軟齒對油菜薹的夾持力能夠使收獲物被夾拋至輸送裝置上方，同時需要避免夾拋軟齒壓潰收獲物。通過分析夾拋輥工作過程中油菜薹的運動軌跡可得，夾拋過程油菜薹受到的力主要包括油菜薹自身重力mcg、夾拋軟齒對油菜薹植株的作用力Fc、割刀剪切力Fd。為避免油菜薹在夾拋過程中發(fā)生下落從而造成莖稈重割和收獲物損傷，夾拋軟齒對油菜薹植株的作用力Fc在豎直向上方向(y正方向)上的分力應(yīng)大于油菜薹重力mcg，即

Fcy>mcg

(6)

式中Fcy——夾拋軟齒對油菜薹植株的作用力在豎直方向上的分力，N

mc——油菜薹收獲部分質(zhì)量，kg

g——重力加速度，取9.8 m/s

夾拋軟齒對油菜薹植株的作用力Fcy主要為夾拋軟齒發(fā)生彈性形變對油菜薹產(chǎn)生的彈力，計算式為

(7)

式中Ec——夾拋軟齒彈性模量，MPa

d——油菜薹莖稈直徑，mm

為保證油菜薹被順利夾拋且油菜薹莖稈不被夾潰，則夾拋軟齒對油菜薹植株的作用力Fcy應(yīng)大于等于油菜薹重力mcg且小于等于油菜薹莖稈徑向平均抗壓力Fj，即

(8)

查閱海綿物理特性相關(guān)資料并進(jìn)行相關(guān)試驗，選用硬度為35°(HB)的海綿條作為夾拋軟齒。

2.4.3夾拋輥運動學(xué)分析

在圓盤割刀剪切油菜薹莖稈的過程中，油菜薹莖稈被剪斷后，因受圓盤割刀的約束油菜薹收獲部分繞其重心O0旋轉(zhuǎn)，油菜薹收獲部分底端速度與圓盤割刀切割莖稈位置線速度相同，底端相對于機具的初速度可用圓盤割刀切割位置線速度表示為

(9)

式中vc0——油菜薹收獲部分底端相對于收獲機初速度，m/s

dd0——圓盤割刀切割莖稈位置半徑，m

為簡化分析過程、降低計算復(fù)雜度，已有研究常在進(jìn)行力學(xué)分析時將莖葉力學(xué)作用較弱的作物模型簡化為類圓柱體或圓錐體[9,12]。由于在夾拋過程中油菜薹葉片被夾拋輥夾持、壓縮至夾拋輥縫隙中，油菜薹的主要力學(xué)特征體現(xiàn)為莖稈對夾拋輥的作用，本研究將油菜薹簡化為徑向質(zhì)量分布均勻、軸向質(zhì)量分布不均勻的非均質(zhì)圓柱體，結(jié)合油菜薹重心位置進(jìn)行力學(xué)和運動學(xué)分析。通過油菜薹重心位置測試試驗，得到油菜薹平均高度為596.4 mm，平均重心位置為227.6 mm，平均重心位置為植株下部距離切割位置2/5植株長度處。切斷瞬間油菜薹收獲部分繞其重心做旋轉(zhuǎn)運動，可認(rèn)為此過程油菜薹的初始動能主要用于克服夾拋軟齒摩擦力做功，則利用能量守恒定理，油菜薹底部能夠向上運動的最大高度和向后旋轉(zhuǎn)的最大距離可表達(dá)為

(10)

式中Fcyg——油菜薹與夾拋輥間摩擦力，N

hc1——油菜薹底部向上運動的最大高度，m

xcx——油菜薹向后旋轉(zhuǎn)的最大距離，m

可知油菜薹旋轉(zhuǎn)過程的底部最終位置主要受夾拋輥夾持油菜薹位置、油菜薹質(zhì)量、割刀轉(zhuǎn)速、割刀切割位置、油菜薹與夾拋輥間摩擦力等影響。

油菜薹在完成旋轉(zhuǎn)運動后，夾拋輥將收獲物夾持拋送至后方輸送裝置，油菜薹在脫離夾拋輥后做水平速度等于夾拋輥夾拋軟齒外表面線速度的平拋運動[14]，拋出瞬間油菜薹水平初速度為

(11)

式中vc1——油菜薹平拋運動水平初速度，m/s

vg——夾拋輥外表面線速度，m/s

dg0——夾拋輥外表面直徑，m

油菜薹經(jīng)平拋運動后底部首先落到輸送帶上方，由于油菜薹運動速度較慢，為簡化計算過程忽略葉片、莖稈等受到的空氣阻力。以油菜薹夾持原點作為坐標(biāo)系原點，機具前進(jìn)方向的反方向為x軸正方向，重力方向為y軸正方向，進(jìn)行此平拋過程的運動學(xué)分析則可得到油菜薹位移、速度變化，即

(12)

式中θs——輸送帶與水平面間夾角，(°)

xds——割刀中心與輸送帶前軸水平距離，m

xc1——油菜薹接觸輸送帶的水平位置，m

yc1——油菜薹接觸輸送帶的豎直位置，m

t1——油菜薹平拋至輸送帶的時間，s

vc2——油菜薹平拋至輸送帶時速度，m/s

由式(9)～(12)可得油菜薹底部接觸到輸送帶的水平和豎直位置為

可知，油菜薹被夾拋輥拋送后的最終位置和夾拋輥轉(zhuǎn)速、割刀轉(zhuǎn)速、夾拋輥直徑、割刀切割位置、油菜薹質(zhì)量、割刀重心與輸送帶前軸相對位置水平距離、輸送帶角度等參數(shù)呈正相關(guān)，與油菜薹與夾拋輥間摩擦力、油菜薹長度等參數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

3 收獲作業(yè)參數(shù)優(yōu)化試驗

3.1 試驗裝置與方法

3.1.1油菜薹收獲試驗臺

為進(jìn)行收獲作業(yè)參數(shù)優(yōu)化，搭建油菜薹收獲試驗臺，其包括由輸送電機、植株夾持器、帶耳鏈條、張緊裝置、鋁型材框架等組成的油菜薹夾持輸送裝置和由夾拋輥、割刀、電機、鋁型材框架等組成的割臺試驗裝置兩部分，如圖10所示。

圖10 油菜薹收獲試驗臺實物Fig.10 Object pictures of harvest test bench1.輸送電機 2.割臺試驗裝置 3.夾拋輥 4.圓盤割刀 5.帶耳鏈條 6.油菜薹 7.植株夾持器

3.1.2試驗材料與方法

臺架試驗在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部油菜全程機械化科研基地進(jìn)行，試驗對象選用基地試驗田種植的獅山菜薹品種油菜[23-24]，采集時間為播種后64 d。在進(jìn)行試驗前，需先將油菜去除根系，夾持于油菜薹收獲試驗臺的油菜薹植株夾持器上方，利用轉(zhuǎn)速儀、測速儀等設(shè)備開展臺架試驗。

(1)試驗因素選擇

由于實際作業(yè)過程中，回轉(zhuǎn)式割刀和夾拋輥在水平方向上的運動軌跡為余擺線，余擺線的形狀能夠?qū)τ筒宿非懈?、夾拋輸送效果產(chǎn)生較大影響。兩條余擺線的形狀分別由圓盤割刀轉(zhuǎn)速與機具行進(jìn)速度速比、夾拋輥轉(zhuǎn)速與機具行進(jìn)速度速比決定，因此確定圓盤割刀轉(zhuǎn)速、夾拋輥轉(zhuǎn)速、喂入速度(機具行進(jìn)速度)為試驗因素。

(2)收獲性能評估指標(biāo)

目前沒有可參考的油菜薹收獲機收獲性能評估標(biāo)準(zhǔn)，參考白菜、菠菜、大蔥等莖葉類蔬菜收獲機的評估標(biāo)準(zhǔn)[9,17,25]，考慮到油菜薹多茬收獲和多用途利用的種植現(xiàn)狀[26-27]，根據(jù)油菜薹的收獲要求和田間工況，將油菜薹收獲后的莖稈切斷比Kq、殘留根茬完整度Kc、切口平整度Kk、夾拋輸送成功率Kp、薹上葉片完整度Ky、莖稈完整度Kg作為評價因素，具體計算方法和指標(biāo)為

(13)

式中Tq——油菜薹成功切斷數(shù)，株

Tz——油菜薹總數(shù)，株

(14)

式中Tzc——油菜薹根茬總數(shù)，株

Tsc——油菜薹受損根茬總數(shù)，株

(15)

式中Ss——油菜薹切口受損面積，mm2

Sz——油菜薹切口總面積，mm2

(16)

式中Tp——夾拋成功的油菜薹數(shù)，株

(17)

式中Tzy——成功拋送油菜薹葉片總數(shù)，個

Tsy——成功拋送油菜薹葉片中受損面積大于10%總數(shù)，個

(18)

式中Tsg——成功拋送油菜薹中莖稈受損面積大于20%的油菜薹總數(shù)，株

Tzg——成功拋送油菜薹總數(shù)，株

綜合莖稈切斷比、切口平整度、殘留枝杈完整度為切割效果Q，夾拋輸送成功率、油菜薹莖稈完整度、油菜薹葉片完整度為夾拋效果P，根據(jù)油菜薹收獲要求賦予各項指標(biāo)權(quán)重，得到切割效果Q和夾拋效果P的數(shù)學(xué)模型分別為

(19)

式中Qi——切割效果權(quán)重

Pi——夾拋效果權(quán)重

根據(jù)油菜薹的商品屬性及避免留茬損傷和留底葉的收獲要求[2,26]，收獲油菜薹時需主要保證莖稈完整切斷、收獲物夾拋至輸送帶上，其次保證采摘部分葉片和莖稈完整、留茬葉片完整，同時盡量要求割茬平齊，因此賦予切割效果和夾拋效果的各項權(quán)重取值如表3所示。

3.2 單因素試驗結(jié)果與分析

開展收獲作業(yè)參數(shù)優(yōu)化試驗預(yù)試驗，對試驗效果進(jìn)行主觀評價，初步確定割刀轉(zhuǎn)速為190 r/min、夾拋輥轉(zhuǎn)速為127 r/min、喂入速度為0.64 m/s時收獲效果較好，以此為依據(jù)進(jìn)一步開展臺架單因素試驗和正交試驗。

表3 收獲評價指標(biāo)權(quán)重Tab.3 Weight value of each evaluation index

對選取的3個試驗因素分別進(jìn)行單因素試驗，分析各因素對割臺切割效果和夾拋效果的影響。在對某個因素進(jìn)行單因素試驗時，其余參數(shù)為預(yù)試驗效果較佳值，每次試驗重復(fù)5次，取平均值。

割刀轉(zhuǎn)速對收獲效果的影響如圖11所示，在夾拋輥轉(zhuǎn)速和喂入速度恒定的情況下，割臺切割效果和夾拋效果隨割刀轉(zhuǎn)速的增加先快速提升后緩慢降低。當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速小于155 r/min時，割臺切割、夾拋效果較差，分析割刀運動軌跡并觀察試驗裝置作業(yè)效果發(fā)現(xiàn)此時存在漏割現(xiàn)象。當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速大于198 r/min時切割效果較好，但隨割刀轉(zhuǎn)速增加夾拋效果逐漸下降，觀察發(fā)現(xiàn)割刀轉(zhuǎn)速較快時油菜薹收獲物易被割刀纏繞至割刀與割刀固定板間隙，造成重復(fù)切割。

圖11 割刀轉(zhuǎn)速對切割效果和輸送效果的影響Fig.11 Influence of cutter rotation speed on cutting and conveying

夾拋輥轉(zhuǎn)速對收獲效果的影響如圖12所示，在割刀轉(zhuǎn)速和喂入速度恒定的情況下，割臺切割效果和夾拋效果隨夾拋輥轉(zhuǎn)速的增加先升高后降低。觀察分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)夾拋輥轉(zhuǎn)速較慢時割臺堵塞現(xiàn)象較為嚴(yán)重，易發(fā)生油菜薹重割和漏拋；當(dāng)夾拋輥轉(zhuǎn)速小于割刀轉(zhuǎn)速時，油菜薹切割、夾拋效果較好，且油菜薹收獲物能夠按照割臺運動學(xué)分析預(yù)定姿勢完成切割、夾拋過程；當(dāng)夾拋輥轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于割刀轉(zhuǎn)速時，油菜薹首先被夾拋輥捕捉并夾拋，后進(jìn)行莖稈切割，薹芯先于莖稈進(jìn)入夾拋輥空隙，易發(fā)生油菜薹重割和收獲物損傷。

圖12 夾拋輥轉(zhuǎn)速對切割效果和輸送效果的影響Fig.12 Influence of grabbing and throwing roller speed on cutting and conveying

圖13 喂入速度對切割效果和輸送效果的影響Fig.13 Influence of feeding speed on cutting and conveying

喂入速度對收獲效果的影響如圖13所示，在割刀轉(zhuǎn)速和夾拋輥轉(zhuǎn)速恒定的情況下，割臺切割效果和夾拋效果隨喂入速度的增加先緩慢提升后快速降低。觀察分析可知，當(dāng)喂入速度較慢時，油菜薹植株重割現(xiàn)象較多；當(dāng)喂入速度較快時，易發(fā)生漏割和切割扯皮。

割臺收獲試驗結(jié)果表明：在割刀轉(zhuǎn)速為160～300 r/min、夾拋輥轉(zhuǎn)速在80～150 r/min、喂入速度為0.30～0.70 m/s時，收獲試驗臺切割效果、夾拋效果較好。

3.3 正交試驗結(jié)果與分析

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以割刀轉(zhuǎn)速、夾拋輥轉(zhuǎn)速、喂入速度(機具前進(jìn)速度)為試驗自變量，以切割效果與輸送效果為評價指標(biāo)，得到三因素三水平正交試驗因素編碼如表4所示。

表4 試驗臺正交試驗因素編碼Tab.4 Factor code for orthogonal experiments

利用試驗設(shè)計分析軟件Design-Expert得到正交試驗表，開展試驗，每組試驗重復(fù)5次并取平均值，試驗結(jié)果如表5所示，A、B、C分別為因素割刀轉(zhuǎn)速、夾拋輥轉(zhuǎn)速、喂入速度的編碼值。

利用Design-Expert軟件的BBD模塊，分析得到切割效果和輸送效果的二次多項式回歸模型為

(20)

收獲臺架收獲試驗方差分析如表6所示。兩個回歸模型的P值均小于0.000 1，表明回歸模型極顯著，失擬項的P>0.05，表明回歸模型失擬項不顯著，擬合程度高。割刀轉(zhuǎn)速、夾拋輥轉(zhuǎn)速對切割效果的影響極顯著，割刀轉(zhuǎn)速和夾拋輥轉(zhuǎn)速的交互作用對切割效果的影響顯著，其他因素影響不顯著，各因素對切割效果的影響由大到小為割刀轉(zhuǎn)速、夾拋輥轉(zhuǎn)速、喂入速度。夾拋輥轉(zhuǎn)速、機具前進(jìn)速度對切割效果的影響極顯著，割刀轉(zhuǎn)速對切割效果的影響顯著，其他因素影響不顯著，各因素對切割效果的影響由大到小為夾拋輥轉(zhuǎn)速、

表5 油菜薹收獲試驗臺正交試驗結(jié)果Tab.5 Results of orthogonal experiments

機具前進(jìn)速度、割刀轉(zhuǎn)速。

表6 切割效果和輸送效果方差分析Tab.6 ANOVA for cutting effects and conveying effect

剔除模型的不顯著項，則切割效果和輸送效果的二次多項式回歸模型為

(21)

利用Design-Expert軟件BBD模塊對試驗數(shù)據(jù)處理并繪制對評價指標(biāo)影響顯著的交互作用的響應(yīng)面，當(dāng)喂入速度為0.56 m/s時，割刀轉(zhuǎn)速、夾拋輥轉(zhuǎn)速的交互因素對切割效果影響如圖14所示。

圖14 割刀轉(zhuǎn)速、夾拋輥轉(zhuǎn)速的交互作用對切割效果 影響的響應(yīng)面(Xw=0.56 m/s)Fig.14 Influence of interactive factors on cutting effect

由圖14可知，夾拋輥轉(zhuǎn)速一定時，切割效果隨著割刀轉(zhuǎn)速的增加而先增加后降低，割刀轉(zhuǎn)速為240 r/min時，切割效果取得最大值；割刀轉(zhuǎn)速一定時，切割效果隨著夾拋輥轉(zhuǎn)速的增加先增加后降低，夾拋輥轉(zhuǎn)速為120 r/min時，切割效果取得最大值。

根據(jù)油菜薹收獲機的設(shè)計要求，以切割效果、輸送效果分?jǐn)?shù)最高作為目標(biāo)函數(shù)，求解割刀轉(zhuǎn)速、夾拋輥轉(zhuǎn)速、喂入速度的最佳組合，約束條件為

(22)

利用Design-Expert對三因素進(jìn)行最優(yōu)化求解，得到的因素最優(yōu)組合為：割刀轉(zhuǎn)速為234 r/min、夾拋輥轉(zhuǎn)速為120 r/min、喂入速度(機具前進(jìn)速度)為0.56 m/s，綜合收獲效果最佳，此時切割效果為95.43%，輸送效果為94.81%，最高作業(yè)效率為0.41 hm2/h。

4 田間試驗

2021年12月和2022年2月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部油菜全程機械化科研基地試驗田分別進(jìn)行田間收獲試驗驗證，試驗材料為適收期獅山菜薹，以正交試驗優(yōu)化結(jié)果為試驗條件，試驗環(huán)境和試驗效果如圖15所示。田間試驗結(jié)果如表7所示。

田間收獲試驗結(jié)果表明，收獲機切割效果可達(dá)95.6%，輸送效果可達(dá)95.2%，收獲效果良好。

5 結(jié)論

(1)提出了一種龍門式電驅(qū)動油菜薹收獲機，確定了收獲機的整機結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)。收獲機主要由割臺、輸送收集裝置、龍門式履帶底盤組成，實現(xiàn)油菜薹切割、夾拋、輸送、收集功能。

圖15 田間收獲作業(yè)Fig.15 Field harvest

表7 田間收獲作業(yè)結(jié)果Tab.7 Field harvest operation result %

(2)設(shè)計了一種立式回轉(zhuǎn)夾拋切割裝置。完成了收獲機的割臺、分禾器、圓盤割刀、夾拋輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對油菜薹的剪切、夾拋、輸送過程進(jìn)行了理論分析。開展了圓盤割刀和夾拋輥的設(shè)計、力學(xué)和運動學(xué)分析，確定兩組割刀、夾拋輥間距為100 mm，割刀形式為外徑為140 mm的砍削型圓盤刀，夾拋輥形式為外側(cè)安裝4條35°(HB)海綿條的粗60 mm尼龍輥。

(3)設(shè)計、搭建了油菜薹收獲試驗臺，以切割效果、輸送效果為評價指標(biāo)開展單因素試驗和正交試驗，分析得到在割刀轉(zhuǎn)速為234 r/min、夾拋輥轉(zhuǎn)速為120 r/min、喂入速度(機具前進(jìn)速度)為0.56 m/s時綜合收獲效果最佳，切割效果為95.43%，輸送效果為94.81%。

(4)油菜薹收獲機在完成關(guān)鍵部件的設(shè)計制造和樣機加工后，進(jìn)行了田間收獲驗證試驗。試驗結(jié)果表明，該收獲機最高作業(yè)效率為0.41 hm2/h，收獲莖稈切斷比為97.6%，殘留根茬完整度為93.1%，切口平整度為94.4%，夾拋輸送成功率為96.3%，油菜薹葉片完整度為93.5%，油菜薹莖稈完整度為96.4%，綜合后切割效果為95.6%，綜合后輸送效果為95.2%。